電力系統(tǒng)繼電保護隱性故障辨識診斷技術(shù)

南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司 張東岳

1 引言

電力系統(tǒng)的運行需要電流互感器、電壓轉(zhuǎn)換器、線路連接器、接線片等繼電元件作為支撐，而這些元件會在運行中受到外界環(huán)境的影響，發(fā)生不同表現(xiàn)形式的繼電保護設(shè)備隱性故障。而系統(tǒng)在運行中，一旦出現(xiàn)隱性故障觸發(fā)行為，潮流電力將在系統(tǒng)內(nèi)被重新分配，此種行為會干預(yù)系統(tǒng)供電、輸電、電力調(diào)度、資源配置的穩(wěn)定性，從而造成大型停電事故，嚴重情況下，甚至?xí)l(fā)生電力系統(tǒng)崩潰現(xiàn)象，不僅會對電力企業(yè)的經(jīng)濟效益造成影響，也會干預(yù)供電過程的安全性。大部分隱性故障從發(fā)生到觸發(fā)會經(jīng)歷一個相對漫長的過程，而在出現(xiàn)隱性故障的前期，電力系統(tǒng)會存在一些未知的安全事件，使系統(tǒng)整體處于一種非常態(tài)化運行狀態(tài)[1]。受到連鎖作用的影響，電力系統(tǒng)中的部分元件的運行將處于極限化趨勢，而一旦極限超出負荷，電網(wǎng)運行將大規(guī)模崩盤，造成最終較為嚴重的后果[2]。因此，有必要在安全事故發(fā)生前，準確辨識并診斷電力系統(tǒng)在運行中繼電保護設(shè)備的隱性故障，在最短的時間內(nèi)采取有效的措施進行故障排除，避免由于隱性故障造成的大規(guī)模停電事故或電網(wǎng)發(fā)電設(shè)備大量損壞事件。為此，本文將以某電力系統(tǒng)為例，設(shè)計一種針對隱性故障的全新辨識診斷技術(shù)，以此種方式，為電網(wǎng)的規(guī)范化運行提供幫助。

2 電力系統(tǒng)繼電保護隱性故障辨識診斷技術(shù)

2.1 電力系統(tǒng)繼電保護運行信息采集

為了實現(xiàn)對電力系統(tǒng)繼電保護設(shè)備在運行中發(fā)生隱性故障的精準辨識，需要根據(jù)繼電保護的運行原則，結(jié)合相關(guān)設(shè)備為電力系統(tǒng)運行提供的專業(yè)保護服務(wù)，進行系統(tǒng)終端運行信息的針對性采集[3]。在此過程中，可將繼電保護專業(yè)服務(wù)信息描述為PFIS，對專業(yè)服務(wù)信息模式的描述可用下述圖1表示。

圖1 電力系統(tǒng)繼電保護專業(yè)服務(wù)模式

按照圖1所示的電力部署，將其安裝在供電企業(yè)的子站終端，通過對繼電保護設(shè)備與錄波器裝置的通信連接與運行接入，為電網(wǎng)中不同設(shè)備的運行與通信提供協(xié)議作為支撐，以此種方式，實現(xiàn)通信協(xié)議的有效調(diào)度。在此基礎(chǔ)上，將輪詢機制作為參照，通過對不同接入繼電保護設(shè)備的定時訪問，得到一個全新的事件信息，確保對電力系統(tǒng)在運行當中參數(shù)的查詢[4]。在輪詢過程中，電力系統(tǒng)的子站將主動獲取電網(wǎng)在運行過程中繼電保護故障行為信息、故障波頻信息、裝置自行檢查故障警示信息等，通過獲取的信息，對繼電保護設(shè)備在當前運行狀態(tài)下的參數(shù)進行查詢。查詢的內(nèi)容包括繼電保護定值區(qū)號、電壓與電流定值運行參數(shù)值、壓板運行狀態(tài)、電力系統(tǒng)開關(guān)輸入量狀態(tài)信息、模擬量信息等。將安裝在各個級別電網(wǎng)調(diào)度中心的子站作為接收站，進行上送信息的獲取，對獲取的信息進行深度分析，根據(jù)信息關(guān)聯(lián)機制對其進行綜合利用，并利用電網(wǎng)中的設(shè)備運行參數(shù)，進行故障的遠方查詢與定位。

通過繼電保護專業(yè)服務(wù)采集電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的方式，基本可以滿足對繼電保護設(shè)備常態(tài)化運行狀態(tài)的在線監(jiān)視。為了確保獲取數(shù)據(jù)的時效性與完整性要求，可在上述研究的基礎(chǔ)上，采用擾動觀測的方式，進行故障錄波的獲取。將獲取的錄波信息反饋到監(jiān)測終端，對繼電保護裝置在瞬時狀態(tài)下的隱性故障與潛在故障展開進一步的詳細分析，以此種方式，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下與不同工況下繼電保護運行信息的采集[5]。大多數(shù)情況下，用于描述繼電保護隱性故障的告警數(shù)據(jù)被劃分為七大類別。具體內(nèi)容如表1所示。

表1 繼電保護隱性故障告警數(shù)據(jù)類別

根據(jù)采集信息的內(nèi)容，對照其類別，以此種方式，完成對繼電保護運行信息的獲取。

2.2 繼電保護本體運行配置參數(shù)一致性在線辨識

電力系統(tǒng)中繼電保護設(shè)備在常態(tài)化運行條件下，由于參數(shù)配置不統(tǒng)一或整體運行方式失調(diào)造成的隱性故障，也是本體隱性故障的主要表現(xiàn)形式之一，為了實現(xiàn)對此類隱性故障的精準辨識，需要在進一步的設(shè)計工作中，對本體配置參數(shù)的一致性進行在線辨識。明確繼電保護本體的有效配置參數(shù)包括定值參數(shù)、區(qū)號參數(shù)、軟/硬壓板參數(shù)、預(yù)設(shè)基準值等，只有多個參數(shù)在電力系統(tǒng)的運行中保持協(xié)調(diào)一致，才能確保繼電保護在運行中的輸入量與輸出量呈現(xiàn)標準的線性關(guān)系。因此，可在進行配置參數(shù)的一致性辨識時，將開關(guān)輸入量與輸出量的比值作為評價本體運行配置參數(shù)一致性的關(guān)鍵評價指標。

對本體配置參數(shù)一致性的校對主要包括三個步驟，分別為基準值的選擇、電力系統(tǒng)運行周期的自動比對、運行核對結(jié)果報告生成與輸出。根據(jù)電力企業(yè)對電網(wǎng)運行的不同管理標準與管理要求，可以在變電站子站中進行主站繼電保護本體配置參數(shù)的集中核對[6]。例如，在進行繼電保護輸入量與輸出量的在線核對時，應(yīng)先獲取壓板的基準值，采用召喚真實狀態(tài)值的方式，進行電網(wǎng)設(shè)置方式的調(diào)整，確保其運行設(shè)置無誤后，將參數(shù)值直接保存為基準值。根據(jù)繼電保護的運行周期，對整體周期進行自行比對，當運行周期出現(xiàn)異常或不匹配現(xiàn)象時，電網(wǎng)終端將自動觸發(fā)隱性故障告警。完成對數(shù)據(jù)的核對后，生成一個針對電網(wǎng)繼電保護裝置的核對記錄報表，標注其中的異常量與告警信息。

為了確保對故障識別的精準性，可在完成上述辨識后，進行繼電保護定值的在線校對，較為常用的定值設(shè)置方法有三種：一是根據(jù)主站繼電保護的定值詳單，進行設(shè)備類型的在線校對，結(jié)合主站的運行需求，生成一個全網(wǎng)統(tǒng)一的定值詳單；二是在電力系統(tǒng)主站的計算機程序接口，開發(fā)一個定值格式轉(zhuǎn)換詳細，按照預(yù)設(shè)的定值，對繼電保護整體進行運行參數(shù)集中調(diào)試；三是固化主站內(nèi)繼電保護裝置的當前定值，采用人工校對的方式，進行電力系統(tǒng)運行基準的調(diào)試。

確保對所有繼電保護進行調(diào)試后，生成完整的記錄單，對于在此過程中出現(xiàn)異常的線路或繼電保護給予警告信息。定位告警信息所在的電力終端，以此種方式，實現(xiàn)對繼電保護本體運行配置參數(shù)一致性在線辨識。

2.3 基于整定性原則的隱性故障診斷

當電力系統(tǒng)繼電保護裝置的饋線發(fā)生隱性故障時，需要由集成在前端的專項檢測裝置，發(fā)射檢測信號，并反饋故障信號到斷路設(shè)備，當斷路設(shè)備識別到繼電保護裝置存在隱性故障后，會及時對故障給予反應(yīng)，并切斷故障。此時，饋線故障發(fā)生主動切除行為，繼電保護裝置對應(yīng)點發(fā)出閉鎖信號，通過此種方式，可以防止站內(nèi)保護區(qū)域發(fā)生誤動行為[7]。當隱性故障并未完全被切除時，對應(yīng)支路的元件將發(fā)生閉鎖，瞬時信號被返回，繼電保護裝置的支路線路將發(fā)生后備，為電網(wǎng)的繼續(xù)運行提供母線。考慮到繼電保護裝置中的閉鎖元件整體采用支路過流啟動，為了實現(xiàn)對隱性故障的精準識別與診斷，應(yīng)參照整定性原則，對發(fā)生故障的概率進行計算，將計算結(jié)果定義為繼電保護裝置發(fā)生隱性故障后的安全裕度。對安全裕度的計算可用下述計算公式表示。

公式（1）中：Pr表示為繼電保護裝置發(fā)生隱性故障后的安全裕度；Im表示為繼電保護元件測量值；Iset表示為繼電保護元件整定值；g 表示為元件測量過程中的靈敏度；Ksr表示為保護行為整定系數(shù)。在根據(jù)計算結(jié)果，當Pr>1.0時，表明電力系統(tǒng)安全裕度較高，不容易或不會發(fā)生誤動行為，代表集成在電力系統(tǒng)中的繼電保護不存在隱性故障。當Pr<1.0時，表明電力系統(tǒng)安全裕度較低，容易或存在誤動行為，代表集成在電力系統(tǒng)中的繼電保護存在隱性故障。按照此種方式，實現(xiàn)對隱性故障的精準辨識診斷。

3 實例應(yīng)用分析

上文完成了對繼電保護裝置故障辨識診斷技術(shù)的設(shè)計研究。在深入對電力系統(tǒng)的研究時發(fā)現(xiàn)，隱性故障是一種較難直接察覺的事故現(xiàn)象，而一旦隱性故障被觸發(fā)，便會造成電力系統(tǒng)大規(guī)模停電或異常。因此，需要在完成對本文提出方法的設(shè)計后，進行此方法可行性的檢驗。

為了確保實驗結(jié)果真實、可靠，選擇某地區(qū)大型變電站作為實驗單位，根據(jù)此供電單位技術(shù)人員反饋的信息可知，該變電站曾發(fā)生過雷擊事故。實驗前，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，繪制該變電站電力系統(tǒng)繼電保護裝置整體拓撲結(jié)構(gòu)圖，如下圖2所示。

圖2 變電站電力系統(tǒng)繼電保護裝置拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

該電力系統(tǒng)在發(fā)生雷擊事故前，其中母線110kV并聯(lián)開關(guān)中的35kV 側(cè)II 母線與112兩者處于斷路運行狀態(tài)。當雷擊事故發(fā)生后，位于B 端的主要變壓設(shè)備在F 側(cè)出現(xiàn)斷路過流問題。與此同時，II 段發(fā)生隱性故障，對應(yīng)的375線路發(fā)生斷路跳閘。隨著變電站中電力系統(tǒng)保護定位的發(fā)生，并網(wǎng)整體發(fā)生小電解網(wǎng)，多個電解網(wǎng)呈現(xiàn)獨立運行狀態(tài)。

為了實現(xiàn)對此種隱性故障的辨識與診斷，將本文設(shè)計的技術(shù)集成在電力終端，采集電力系統(tǒng)繼電保護運行信息，對其在運行中的常態(tài)化信息進行描述。在此過程中，將隱性監(jiān)測保護互感器安裝在電力系統(tǒng)繼電保護的接線端，明確互感器反饋信息的誤差值在±5.0%范圍內(nèi)，對獲取的信息進行誤差正態(tài)分布標注，預(yù)設(shè)采集的運行信息均值為0，有效標準差值為0.01，對無隱性故障的繼電保護裝置在運行中的節(jié)點電壓幅度差值進行計算，計算公式如下：

公式（2）中：F 表示為繼電保護裝置在運行中的節(jié)點電壓幅度差值；Fmax表示為節(jié)點電壓最大幅度；Fmin表示為節(jié)點電壓最小幅度。結(jié)合變電站中電力系統(tǒng)的常態(tài)化運行趨勢，對無隱性故障的繼電保護幅差值進行計算，將繼電保護元件的負荷極限值作為觸發(fā)隱性故障的門檻值，對非故障條件下的節(jié)點運行狀態(tài)進行描述。如下圖3所示。

從圖3中可以看出，電力系統(tǒng)繼電保護節(jié)點在無隱性故障條件下運行，其電壓幅值差值都明顯小于門檻值。在此基礎(chǔ)上，對遭受雷擊事故后的繼電保護裝置進行隱性故障辨識診斷，診斷中，需要采集電力系統(tǒng)繼電保護運行信息，在此基礎(chǔ)上，進行繼電保護本體運行配置參數(shù)一致性在線辨識，將整定性原則作為參照，對電力系統(tǒng)中的隱性故障進行診斷，按照上述方式，對診斷后結(jié)果的電壓幅度差值進行描述。如下圖4所示。

圖3 非隱性故障條件下的電力系統(tǒng)繼電保護節(jié)點運行

從圖4所示的實驗結(jié)果可以看出，375節(jié)點的電壓幅度差值顯著大于預(yù)設(shè)的門檻值，由此可以診斷在電力系統(tǒng)繼電保護裝置的運行中，375節(jié)點存在隱性故障。根據(jù)變電站技術(shù)人員反饋的信息可知，該節(jié)點由于受到雷擊的影響，確實存在打擊異常，故障辨識診斷結(jié)果與實際故障結(jié)果相同，說明了本文設(shè)計的辨識診斷技術(shù)在進行繼電保護裝置的隱性故障診斷時具有一定可行性。

圖4 電力系統(tǒng)繼電保護隱性故障辨識診斷結(jié)果

4 結(jié)語

隱性故障是指終端電力系統(tǒng)在常態(tài)化環(huán)境下運行時，出現(xiàn)運行故障或異常，而此種故障又是電力系統(tǒng)無法及時發(fā)現(xiàn)且不會對系統(tǒng)運行造成影響的故障。只有電力系統(tǒng)出現(xiàn)其他異常或故障現(xiàn)象時，隱性故障才會出現(xiàn)，從而對系統(tǒng)運行造成威脅。盡管此種故障不會對電力系統(tǒng)的運行造成威脅，但倘若不及時采取有效的措施進行隱性故障處理或排除，便會誘發(fā)電力系統(tǒng)的連鎖故障，最終對電網(wǎng)造成不可逆的損害。為了降低隱性故障對電力系統(tǒng)運行的負面影響，應(yīng)做好對其隱性故障的診斷，為此本文從電力系統(tǒng)繼電保護運行信息采集、繼電保護本體運行配置參數(shù)一致性在線辨識、基于整定性原則的隱性故障診斷三個方面，設(shè)計了全新的隱性故障辨識診斷技術(shù)。完成設(shè)計后，選擇某地區(qū)大型變電站作為實驗單位，設(shè)計實驗，通過實例應(yīng)用的方式，證明了本文此次研究設(shè)計的成果在實際應(yīng)用中，可以起到精準辨識并診斷電力系統(tǒng)隱性故障的作用。